李敏，趙芳芳，孫山峰，洪煥華，陳敬

1.國網(wǎng)長沙供電公司，湖南長沙 410002 2.中科云谷科技有限公司，湖南長沙 410002

0 引言

我國高壓交直流輸電技術(shù)和智能電網(wǎng)快速發(fā)展，為了確保電力電纜的安全、可靠運(yùn)行，必須對過電壓進(jìn)行有效地防護(hù)。輸電電纜終端的避雷器是主網(wǎng)運(yùn)行中防止雷電和系統(tǒng)過電壓的核心裝置，其在運(yùn)行中會受到過電壓和工作電壓的雙重影響而產(chǎn)生不同程度的絕緣電阻，引起設(shè)備性能下降，以及因內(nèi)部受潮導(dǎo)致缺陷故障，從而影響到輸電系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行[1]。隨著交流輸電電纜進(jìn)一步的發(fā)展和社會的需求量變大，雷擊問題、運(yùn)行穩(wěn)定問題成為制約交流輸電電纜發(fā)展的重要因素。近幾年，為進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)和線路的抗雷擊性能，在國內(nèi)電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用了金屬氧化鋅避雷器。金屬氧化鋅避雷器具有保護(hù)性能好、體積小、殘壓低等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能吸收能量大的過電壓。在實(shí)際運(yùn)行過程中，因避雷器的缺陷而導(dǎo)致的輸電線路故障時(shí)有發(fā)生，極大地降低了供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及可靠性，因此，對避雷器缺陷故障進(jìn)行智能診斷具有重要意義。

這一領(lǐng)域相關(guān)研究一直在進(jìn)行，文獻(xiàn)[2]提出基于場路耦合的500 kV 氧化鋅避雷器受潮缺陷分析，選擇了500 kV 氧化鋅避雷器作為研究對象，并建立了相應(yīng)的阻容網(wǎng)絡(luò)模型和有限元溫度場計(jì)算模型，通過仿真分析，獲取避雷器在不同運(yùn)行狀態(tài)下的泄漏電流和溫度分布的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步分析受潮等典型缺陷的特征和變化規(guī)律。文獻(xiàn)[3]提出110 kV 金屬氧化物避雷器故障帶電檢測診斷分析，經(jīng)過停電試驗(yàn)、解體和故障診斷分析，得出了以下結(jié)論：由于避雷器裝配環(huán)節(jié)的密封圈未能完全壓縮到位，導(dǎo)致水氣從頂部進(jìn)入，并直接造成了內(nèi)部閥片受潮，這一發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了帶電檢測技術(shù)的有效性。

但是，上述方法存在一定的問題，交流輸電電纜終端的避雷器故障特征與雷擊線路電磁暫態(tài)過響應(yīng)過程的信號極其類似。當(dāng)前，從單端行波信息中的檢測方法很難區(qū)分雷擊特征與真實(shí)故障行波的特征。本文在上述研究基礎(chǔ)上，提出了一種優(yōu)化的交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法。

1 交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法

1.1 基于傳感器數(shù)據(jù)的避雷器干擾特征區(qū)分

將傳感器布置在避雷器周圍，避雷器的閥片擁有良好的非線性特征，在晶界處形成雙重勢壘，形成了閥門的非線性特征[4]。這種非線性特征會導(dǎo)致其真實(shí)故障特征與雷擊線路電磁暫態(tài)過響應(yīng)特征之間存在著一定的對應(yīng)關(guān)系，其關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中，e表示電場強(qiáng)度；v表示常數(shù)；ηb表示晶體材料本構(gòu)參數(shù)。由上述公式可知，根據(jù)避雷器的伏安特性，進(jìn)行公式（1）中的關(guān)聯(lián)系數(shù)的近似求解，其表達(dá)式為：

式中，I表示流過壓敏電阻的電流數(shù)值；u表示材料相關(guān)常數(shù)；c表示壓敏電阻兩端的電壓數(shù)值。

避雷器中，雷擊線路電磁暫態(tài)過響應(yīng)特征的伏安特性劃分為4 個(gè)區(qū)域：預(yù)擊穿區(qū)、上翹區(qū)、線性區(qū)、擊穿區(qū)[5]。在線性區(qū)與非線性區(qū)中，電壓與電流的關(guān)系接近線性關(guān)系。在工作電壓下，避雷器閥片呈現(xiàn)出高電阻，極低的電流（毫安量級），為小電流區(qū)；而在擊穿區(qū)及上翹區(qū)，閥片表現(xiàn)出極低的電阻，幾乎是絕緣的。在電壓作用下，電流值很大，電阻值極小，是大電流的區(qū)域。雷擊線路電磁暫態(tài)過響應(yīng)特征的伏安特性曲線如圖1 所示。

由圖1 可以看出，在交流輸電線路正常運(yùn)行電壓下，其線性區(qū)域及預(yù)擊穿區(qū)域的伏安特征曲線位于線性區(qū)，此時(shí)通過避雷器電阻的電流很少，當(dāng)避雷器發(fā)生故障或老化時(shí)，其預(yù)擊穿區(qū)與線性區(qū)的伏安特性曲線向右偏移，當(dāng)故障等問題加深后，其伏安特性曲線就會越向右偏移[6-7]，與雷擊線路電磁暫態(tài)過響應(yīng)不同，其初始行波的波頭下降沿存在轉(zhuǎn)折、突變或者后續(xù)存在振蕩過程。根據(jù)這一特征，可進(jìn)行相應(yīng)的特征提取，完成智能識別。

1.2 提取避雷器故障缺陷特征

在目前的避雷器故障檢測中，測量的故障缺陷特征量為阻性電流三階諧波成分、泄漏電流、功率損耗、阻性電流的基波成分等。通過對已有故障監(jiān)測與識別方法的研究可以發(fā)現(xiàn)，每一種特征都可以反映出不同的缺陷，但只能反映出其中一種缺陷。因此，在實(shí)際識別分析中，需要結(jié)合多種特征進(jìn)行綜合判斷。本文將深入開展多特征條件下的絕緣缺陷故障監(jiān)測識別方法研究，建立一種新型的監(jiān)測體系，為故障缺陷區(qū)的準(zhǔn)確、簡單、快速診斷提供重要的技術(shù)支撐[8-9]。

根據(jù)對避雷器故障程度的判斷，主要依據(jù)的是初始行波的波頭下降沿存在轉(zhuǎn)折、突變或者后續(xù)存在振蕩過程這一特點(diǎn)。這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在閥片的功率損耗、泄漏電流的阻性電流分量，因此需要專門的一種用來測量該避雷器阻性電流分量的專用監(jiān)測裝置。本文設(shè)計(jì)了一種橋型電路，其電路如圖2 所示。該裝置的主要部件包括：測試變壓器、變阻器、標(biāo)準(zhǔn)電容器以及電子示波器等。

通過電路分析，能夠得出泄漏電流、閥片的功耗計(jì)算公式，其表達(dá)式為：

式中，ur(n)表示元件參數(shù)值；R表示線繞電阻值；ΔT表示采樣的間隔時(shí)間；N表示工頻周期中的采集數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

避雷器的故障缺陷識別函數(shù)是與避雷器兩端的參考數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的，相關(guān)系數(shù)是衡量兩個(gè)變數(shù)之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱的指標(biāo)，通過兩個(gè)離差相乘來反映兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度，關(guān)聯(lián)系數(shù)以各自平均值和兩個(gè)變量的離差為代表[10]。上一章節(jié)的關(guān)聯(lián)系數(shù)是用來刻畫變量x、y的緊密程度和關(guān)系的一種重要指標(biāo)，提取避雷器故障缺陷特征的表達(dá)式為：

式中，sxy表示x、y之間的避雷器故障缺陷特征相關(guān)程度；φx φy表示x、y波動量的數(shù)學(xué)期待值；cxy表示x、y的均方差值。

通過以上公式得出了每一次諧波時(shí)，端部測量值與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的相差值。當(dāng)實(shí)測數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)中的一個(gè)組別的相關(guān)系數(shù)函數(shù)值最大時(shí)，那么該相關(guān)系數(shù)的故障程度就與該避雷器所對應(yīng)的故障缺陷程度最接近。一般情況下，在交流輸電線路上避雷器的布設(shè)通常為一字型，一般會受雜散電容的影響，且雜散電容的影響大小與避雷器中的任意二者之間的距離成正比，即距離越近，影響越大，因此，流經(jīng)兩邊的避雷器的總電流大小就會有一定變化，這也是需要注意的問題。

1.3 交流輸電電纜的故障識別方法設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的避雷器故障缺陷辨識方法不是簡單的基波和三次諧波的振幅大小，而是通過對有無缺陷、故障狀態(tài)和老化程度的對比來進(jìn)行的。通過對各判別函數(shù)的綜合極大值進(jìn)行分析，得出了各判別函數(shù)的最大值，并給出了各判別函數(shù)的計(jì)算公式。這個(gè)判別函數(shù)的值就是公式（5）中測量數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)值，其中，基準(zhǔn)數(shù)據(jù)需要從絕緣老化、受潮等故障（包括正常狀態(tài)）的運(yùn)行數(shù)據(jù)中提取出來，形成一個(gè)用于判斷故障缺損狀態(tài)的識別數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫的詳細(xì)參數(shù)如表1 所示，根據(jù)該數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)交流輸電電纜的故障識別。

表1 故障狀況類型

2 實(shí)驗(yàn)測試與分析

為證明本文提出的交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法的有效性，現(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，測試現(xiàn)場如圖3 所示。避雷器型號為HY5WS-17/50；傳感器型號為PT100；實(shí)驗(yàn)參數(shù)：電纜長度為1 km，電纜截面積為120 mm2，額定電壓為10 kV；避雷器安裝在電纜中段，在避雷器兩端各安裝一個(gè)PT100 溫度傳感器，用于監(jiān)測避雷器運(yùn)行時(shí)的溫度變化；實(shí)驗(yàn)雷電模擬：用雷電模擬器產(chǎn)生模擬雷電波形，波峰電壓為17 kV，波形為8/20 μs 標(biāo)準(zhǔn)雷電波。

測試現(xiàn)場選用真實(shí)雷擊環(huán)境，傳感器的安裝位置如圖4 所示。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)需要在工業(yè)軟件環(huán)境中進(jìn)行測試分析。將本文提出的交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法與文獻(xiàn)[2]的基于場路耦合的500 kV氧化鋅避雷器受潮缺陷檢測方法、文獻(xiàn)[3]的110 kV 金屬氧化物避雷器故障帶電檢測方法進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)所需的主要設(shè)備以及參數(shù)如表2 所示。

表2 主要設(shè)備以及參數(shù)表

在對交流輸電線路上避雷器的泄漏電流進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將電容分壓器的地線連接到測試使用的避雷器的基座上，并將帶有屏蔽的高壓導(dǎo)線連接到避雷器的頂法蘭上。圖5 為本次實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的設(shè)備布設(shè)示意圖。

根據(jù)實(shí)際測試中所需的避雷器對放電動作要完全核查的要求，因此，需要對該參與測試的避雷器進(jìn)行測試選擇，避雷器放電次數(shù)代表其性能的優(yōu)越性。避雷器放電計(jì)數(shù)器動作次數(shù)的結(jié)果如表3 所示。

表3 避雷器放電計(jì)數(shù)器動作次數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)算，此故障避雷器放電計(jì)數(shù)器運(yùn)行170 次，為其他3 個(gè)并聯(lián)避雷器放電計(jì)數(shù)器運(yùn)行的5 倍。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)選擇#4 避雷器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，以交流輸電電纜避雷器運(yùn)行電流作為實(shí)驗(yàn)對象，其原始電流如圖6 所示。

由圖6 可知，該交流輸電電纜避雷器運(yùn)行電流隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)波動趨勢，當(dāng)電流內(nèi)部存在噪聲時(shí)，其波動區(qū)間較大，為-20～20 A 之間。使用本文方法提取避雷器故障缺陷特征，對其進(jìn)行去噪處理，得到測試結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知，使用本文方法對交流輸電電纜避雷器的運(yùn)行電流進(jìn)行去噪處理后，其電流波動區(qū)間降低為固定頻率區(qū)間，有效去除了電流內(nèi)含有的干擾噪聲。由此說明，本文方法對交流輸電電纜避雷器的運(yùn)行電流進(jìn)行去噪處理的效果顯著，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的去噪。

將3 種方法帶入到測試環(huán)境中，測試的時(shí)間周期為10 d，實(shí)驗(yàn)設(shè)定的泄漏電流故障為5 mA，進(jìn)行此次實(shí)驗(yàn)的操作，其泄漏電流的監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 泄漏電流監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4 泄漏電流監(jiān)測結(jié)果可以看出，交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法的識別結(jié)果基本正確，其誤差監(jiān)測數(shù)值最大為0.148 mA，對交流電路發(fā)生故障的狀態(tài)下出現(xiàn)泄漏電流可以做出較為正確的診斷，而其他方法的誤差值都較大。由此證明了本文提出的交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法具有較好的可行性和靈敏度，不容易產(chǎn)生誤判。

3 結(jié)束語

采用的交流電纜避雷器缺陷故障診斷技術(shù)能夠?qū)ψ儔浩鞯膬?nèi)部絕緣情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的測試。和傳統(tǒng)停電測試比較，該交流輸電電纜避雷器運(yùn)行電流隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)波動趨勢，其電流波動區(qū)間降低為固定頻率區(qū)間，有效去除了電流內(nèi)含有的干擾噪聲；其缺陷故障診斷方法的識別結(jié)果基本正確，其誤差監(jiān)測數(shù)值最大為 0.148 mA，具有較好的可行性和靈敏度。同時(shí)，該技術(shù)具備帶電狀態(tài)的特性，可以靈活地掌握測試周期，以便對避雷器的問題做出有效地跟蹤與解決。